黑山縣“節(jié)水增糧行動(dòng)”信息化工程示范建設(shè)與應(yīng)用

周大鵬

黑山縣“節(jié)水增糧行動(dòng)”信息化工程示范建設(shè)與應(yīng)用

周大鵬

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院 遼寧沈陽(yáng) 110003）

本文結(jié)合東北四省區(qū)“節(jié)水增糧行動(dòng)”信息化試點(diǎn)工程建設(shè)要求，從機(jī)井水量測(cè)控、地下水位監(jiān)測(cè)、田間墑情監(jiān)測(cè)、田間氣象觀測(cè)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)視、灌溉自動(dòng)控制等系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，采用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，運(yùn)用綜合管理信息系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中心對(duì)測(cè)站的管理，為農(nóng)田水利管理和水資源的監(jiān)管提供可靠的技術(shù)保障。

水量測(cè)控 水位監(jiān)測(cè) 墑情監(jiān)測(cè) 信息化建設(shè)

1 項(xiàng)目背景

東北四省區(qū)水資源分布不均勻，且春旱嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，伏秋旱時(shí)有發(fā)生，為了加快農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，增強(qiáng)區(qū)域農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害能力，提高灌溉水的利用效率、充分發(fā)揮糧食的生產(chǎn)潛力，保障糧食安全，國(guó)家啟動(dòng)了東北四省“節(jié)水增糧行動(dòng)”，旨在通過(guò)中央和地方形成合力，集中連片大規(guī)模推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)，提高糧食的綜合生產(chǎn)能力和水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增糧增效的目的，選擇遼寧省黑山縣作為節(jié)水灌溉信息化建設(shè)的試點(diǎn)，實(shí)施工程管理的精細(xì)化和規(guī)范化，提高水資源的監(jiān)控能力，2012-2015年全縣發(fā)展節(jié)水灌溉面積21.68萬(wàn)畝，新建機(jī)電井1206眼，改造機(jī)電井448眼，節(jié)水增糧行動(dòng)受益人口將達(dá)到7.78萬(wàn)人。

2 建設(shè)目標(biāo)

緊密結(jié)合黑山縣節(jié)水增糧行動(dòng)信息化建設(shè)試點(diǎn)的特點(diǎn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)通訊和空間信息技術(shù)，重點(diǎn)建設(shè)灌溉用水與地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)工程，實(shí)現(xiàn)工程取水量和水資源承載能力的信息化管理，提高工程運(yùn)行管理水平，并結(jié)合土壤墑情、氣象等信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，科學(xué)指導(dǎo)灌溉，引領(lǐng)灌溉現(xiàn)代化方向。

3 總體結(jié)構(gòu)20

根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓芾硭胶徒ㄔO(shè)需求，按照東北四省區(qū)節(jié)水增糧行動(dòng)的總體安排，選擇19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的42個(gè)片區(qū)作為信息化工程的項(xiàng)目區(qū)，共建設(shè)水量監(jiān)測(cè)站1654處、地下水監(jiān)測(cè)站46處、墑情監(jiān)測(cè)站7處、便攜式自動(dòng)氣象站1處、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)視站5處以及灌溉監(jiān)控站1處，并確定繞陽(yáng)河鎮(zhèn)為本次信息化建設(shè)的核心示范區(qū)，核心示范區(qū)主要開(kāi)展全覆蓋、密度大的信息化監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，為信息化建設(shè)的全面推廣開(kāi)展示范性作用。

黑山縣項(xiàng)目區(qū)針對(duì)本區(qū)域內(nèi)的信息化系統(tǒng)建設(shè)，由縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級(jí)三層組織體系見(jiàn)圖1，統(tǒng)一按照上級(jí)接口要求，數(shù)據(jù)類(lèi)型、格式與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)相一致。由于系統(tǒng)涉及的機(jī)井?dāng)?shù)量多，較為分散，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸至縣級(jí)管理中心，軟件結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)形成管理網(wǎng)絡(luò)體系。

4 建設(shè)項(xiàng)目

結(jié)合黑山縣水情、雨情、農(nóng)作物生長(zhǎng)等實(shí)際情況，按照工程運(yùn)行監(jiān)控、水資源配置、行政事務(wù)管理、公眾服務(wù)、防汛抗旱等方面的總體要求，黑山縣節(jié)水增糧行動(dòng)信息化建設(shè)內(nèi)容包括信息采集與測(cè)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、管理中心及管理站建設(shè)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)與應(yīng)用軟件系統(tǒng)四個(gè)部分。

4.1信息采集與測(cè)控系統(tǒng)

信息采集與測(cè)控系統(tǒng)包括機(jī)井水量測(cè)控、地下水位監(jiān)測(cè)、田間墑情監(jiān)測(cè)、田間氣象觀測(cè)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)視和灌溉自動(dòng)控制六個(gè)子系統(tǒng)。

（1）機(jī)井水量測(cè)控子系統(tǒng)

機(jī)井水量測(cè)控系統(tǒng)主要在農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井取水口安裝計(jì)量設(shè)施，實(shí)現(xiàn)機(jī)井灌溉用水總量的監(jiān)控，為田間地塊實(shí)施精量化灌溉管理提供技術(shù)支持。在農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井首部出水管道上安裝管道流量計(jì)，通過(guò)IC卡智能控制器采集每日機(jī)井灌溉出水量，控制器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳輸至縣級(jí)管理中心，設(shè)備供電采用蓄電池供電、太陽(yáng)能板浮充的運(yùn)行方式。機(jī)井水量測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

（2）地下水位監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

地下水是項(xiàng)目區(qū)的主要灌溉水源，嚴(yán)防地下水超采是水行政主管部門(mén)的責(zé)任，適當(dāng)布設(shè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)掌握地下水動(dòng)靜水位變化，提高地下水資源監(jiān)管的數(shù)字化和信息化水平。水位傳感器采用投入式水位計(jì)，IC卡智能控制器負(fù)責(zé)對(duì)投入式水位計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級(jí)管理中心。

（3）田間墑情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

對(duì)田間不同深度土層進(jìn)行含水率的測(cè)量，布設(shè)剖面采用三點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，將土壤水分傳感器、溫度傳感器埋入相應(yīng)的剖面的土層中，實(shí)時(shí)掌握土壤水分和溫度的情況，墑情采集單元負(fù)責(zé)采集傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級(jí)管理中心。

（4）田間氣象觀測(cè)子系統(tǒng)

氣象RTU終端采集溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、大氣壓力、蒸發(fā)量等氣象要素傳感器的數(shù)據(jù)，田間自動(dòng)氣象站各要素設(shè)備按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)備的安裝，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至縣級(jí)管理中心。自動(dòng)氣象站工作原理圖見(jiàn)圖3。

（5）作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)視子系統(tǒng)

在田間灌溉機(jī)井房附近安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)作物生長(zhǎng)期的全階段進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視，可直觀的看到作物的長(zhǎng)勢(shì)情況。視頻攝像機(jī)采用全方位云臺(tái)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器將采集視頻圖像通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商基站將圖像信息傳輸至黑山縣管理中心監(jiān)控機(jī)房，可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程控制，供電電源直接取至灌溉機(jī)井內(nèi)的供電線路。

（6）灌溉自動(dòng)控制子系統(tǒng)

在原有灌溉設(shè)施的基礎(chǔ)上，選擇有條件的用戶(hù)單位開(kāi)展灌溉自動(dòng)化和智能化試點(diǎn)，配備電磁閥和智能控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)輪灌等功能，提高灌溉用水效率，提高工程運(yùn)行管理水平。

控制系統(tǒng)由電磁閥、閥控器、狀態(tài)反饋開(kāi)關(guān)、主控制器和用戶(hù)操作終端等設(shè)備組成。其中，電磁閥安裝于每條支管出水口處，閥控器安裝于電磁閥附近，供電采用直流電源，閥控器與電磁閥通過(guò)信號(hào)線聯(lián)接，將數(shù)據(jù)匯集于主控制器和用戶(hù)操作終端，并通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)傳輸至黑山縣管理中心。

圖2 機(jī)井水量測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 自動(dòng)氣象站工作原理圖

4.2通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

黑山縣節(jié)水增糧行動(dòng)信息化建設(shè)各片區(qū)測(cè)站分布廣泛而零散，需要傳輸水量、水位、土壤含水量、土壤溫度、雨量、氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、視頻等數(shù)據(jù)和圖像信息，組網(wǎng)范圍涉及各片區(qū)測(cè)站、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站以及黑山縣管理中心。

考慮到外部環(huán)境、工程規(guī)模、投資概算等諸多因素影響，各測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已有的通訊網(wǎng)絡(luò)，測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸采用CDMA/GPRS通訊方式，利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至固定IP的縣級(jí)管理中心，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可通過(guò)公網(wǎng)訪問(wèn)縣級(jí)管理中心，獲取相應(yīng)的信息。中心租用固定IP的10M專(zhuān)線，鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站租用2M的寬帶。

4.3管理中心及管理站的建設(shè)

黑山縣節(jié)水增糧行動(dòng)信息化建設(shè)包括1個(gè)縣級(jí)管理中心、19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站、42個(gè)村級(jí)用水管理點(diǎn)。

管理中心承擔(dān)了系統(tǒng)的整體運(yùn)行、維護(hù)與管理工作，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、匯總處理及與遠(yuǎn)程控制等基本功能，對(duì)項(xiàng)目區(qū)灌溉用水量、地下水位動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行適時(shí)分析，對(duì)可能超過(guò)限制水位的機(jī)井預(yù)警，對(duì)超采機(jī)井進(jìn)行禁采管理。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站負(fù)責(zé)本管理區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)井的用水量、地下水等信息發(fā)布，部分流量、水位等信息人工錄入和相關(guān)設(shè)備維護(hù)工作。

村級(jí)用水管理點(diǎn)由村級(jí)水管員負(fù)責(zé)管理，本轄區(qū)范圍內(nèi)地下水工程機(jī)井監(jiān)測(cè)、監(jiān)控信息的管理和用水信息通知至各用水戶(hù)，且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)上報(bào)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水管理站，

4.4數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)與應(yīng)用軟件

數(shù)據(jù)庫(kù)是信息化工程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理的關(guān)鍵，主要包括項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、工程運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)四個(gè)一級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

應(yīng)用軟件是黑山縣節(jié)水增糧行動(dòng)綜合管理信息系統(tǒng)的中樞部分，黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)主要包括項(xiàng)目信息管理應(yīng)用平臺(tái)、水資源管理應(yīng)用平臺(tái)、灌溉管理應(yīng)用監(jiān)控平臺(tái)和信息服務(wù)與發(fā)布平臺(tái)四個(gè)軟件系統(tǒng)。黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 黑山縣綜合管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

黑山縣作為“節(jié)水增糧行動(dòng)”信息化建設(shè)的試點(diǎn)，將為今后水資源優(yōu)化配置和糧食高效增產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障，系統(tǒng)工程的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行管理的高效性、區(qū)域水資源現(xiàn)狀和未來(lái)態(tài)勢(shì)微觀的可視性、需水規(guī)律灌溉控制管理的智能性，將對(duì)農(nóng)村水利信息化建設(shè)具有積極推廣示范作用。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.020

TP3

B

1672-2469（2014）03-0056-04

20作者簡(jiǎn)介：周大鵬（1981年—），男，工程師。